看單端反激電路在逆變電源中大顯身手

電源界朋友都知道，由電池供電的逆變電源通常都由兩級(jí)組成，前級(jí)DC/DC電路將電池電壓變換成直流約350V 電壓，后級(jí)DC/AC電路將直流350V電壓變換為交流220V電壓。在這類逆變電源中，前級(jí)DC/DC電路一般供電電壓較低(12V、24V或 48V)，輸入電流較大，功率管導(dǎo)通壓降高、損耗大，所以電源效率很難提高。其電路形式有：?jiǎn)味朔醇?、單端正激、雙管正激、半橋和全橋等，對(duì)于中小功率(約0.5~1kW)而言，單端反激電路具有一定優(yōu)勢(shì)，如：電路簡(jiǎn)單、控制方便、效率高等。本文就將以24V電池供電，輸出350V/1kW為例，解析單端反激電路在逆變電源前級(jí)DC/DC電路中的應(yīng)用。

常規(guī)單端反激電路結(jié)構(gòu)

常規(guī)單端反激電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，該電路的缺點(diǎn)在于功率管VT截止時(shí)，變壓器初級(jí)的反峰能量，被VD1、C 1和R 1組成的吸收電路消耗掉；而且在輸出功率相同的情況下，功率管通過(guò)電流(相對(duì)于多管并聯(lián))大，導(dǎo)通壓降高，損耗大，所以效率和可靠性較低。

圖1 常規(guī)單端反激電路結(jié)構(gòu)

多管并聯(lián)的單端反激電路結(jié)構(gòu)

如 圖2所示，該電路的特點(diǎn)是，主功率電路采用4只功率管并聯(lián)，每只功率管通過(guò)的電流為單管應(yīng)用時(shí)的1/4(假定4只功率管參數(shù)一致)，則功率管的導(dǎo)通壓降也 應(yīng)為單管應(yīng)用時(shí)的1/4.根據(jù)計(jì)算，在輸出550W時(shí)，理論上，4管并聯(lián)比單管可減小通態(tài)損耗約20W,提高效率近3個(gè)百分點(diǎn)。

圖2 4只功率管并聯(lián)主功率電路采用能量回饋技術(shù)的單端反激電路結(jié)構(gòu)

采用能量回饋技術(shù)的單端反激電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要波形如圖4所示。在本電路中，用電容C 2、電感L 1、二極管VD1和VD2組成變壓器初級(jí)反峰吸收電路，可使大部分反峰能量回饋到輸入電容C 1上，減少了能量損耗，提高了電路效率。

圖3 初級(jí)反峰吸收電路

圖4 初級(jí)反峰吸收電路主要波形

其工作原理如下：

（1）t 0~t 1階段：t 0時(shí)刻功率管截止，變壓器初級(jí)電感L 、漏感L K、電容C 2和功率管輸出電容C 0開始諧振，并很快使C 2電壓達(dá)到U 0(N 1/N 2)，隨后次級(jí)二極管導(dǎo)通，初級(jí)電壓被鉗位到U 0(N 1/N 2)，初級(jí)電感L 退出諧振，到t 1時(shí)刻I K為0,同時(shí)C 2和C 0上電壓達(dá)到最大值，即開關(guān)管電壓U S達(dá)到最大值(U IN+U C2MXA)。

（2） t 1~t 2階段：在L K、C 2、C 0繼續(xù)諧振，同時(shí)電感L 1參與諧振，C 2、C 0給輸入電容C 1回饋能量，并且給L 1補(bǔ)充能量，到t 2時(shí)刻諧振停止，C 2電壓又下降到U 0(N 1/N 2)。

（3）t 2~t 3階段：t 2時(shí)刻開始，電感L 1給輸入電容C 1回饋能量。C 2電壓被鉗位在(N 1/N 2)U 0、C 0即開關(guān)管上電壓為U IN+(N 1/N 2)U 0,均保持不變，到t 3時(shí)刻，L 1中能量釋放完畢。

（4）t 3~t 4階段：開關(guān)管完全截止，C 2電壓、C 0電壓(即開關(guān)管電壓)繼續(xù)保持不變。

（5）t 4~t 5階段：t 4時(shí)刻功率管導(dǎo)通，其電壓U S開始下降，C 0開始通過(guò)開關(guān)管放電，并很快放完畢(全部損耗在功率管上);C 2和L 1開始諧振，即把C 2中的能量轉(zhuǎn)移到L 1中，在t 5時(shí)刻L 1中電流達(dá)到最大值，功率管完全導(dǎo)通。

（6）t 5~t 6階段：t 5時(shí)刻L 1通過(guò)VD1和VD2給輸入電容C 1回饋能量，并給C 2充電到-U IN,到t 6時(shí)刻L 1中能量釋放完畢。

（7）t 6~t 7階段：該階段功率管繼續(xù)處于完全導(dǎo)通狀態(tài)。

以上過(guò)程形成一個(gè)完整工作周期，可以看出，變壓器漏感中的能量大部分被回饋到輸入電容C 1中(C 0中有部分能量被消耗掉)，所以電源效率得到提高。主要器件電壓電流應(yīng)力計(jì)算

由圖3及原理分析，可得到如下計(jì)算公式：

其中：U SMAX即U C0MAX為功率管VT1~VT4所承受的最大電壓應(yīng)力：

U INMIN為輸入電壓最小值(取21V)；U 0為輸出電壓(取350V)；N 1、N 2為變壓器初次級(jí)匝數(shù)(取15匝和117匝)；△U C2由漏感引起的尖峰電壓；I PK為漏感即初級(jí)峰值電流；L K為初級(jí)漏感(取0.4μH)；C 2為外接電容(取30000pF)；C 0為VT1~VT4輸出電容之和(取4000pF)；I PAV為功率管導(dǎo)通期間總電流平均值；η為電源效率(取92%)；D MAX為最大占空比(取0.7)；△I p為開關(guān)管導(dǎo)通期電流變化量；t ONMAX為開關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間(取23μs)；L為變壓器初級(jí)電感值(取38μH)；I L1MAX為L(zhǎng) 1(取0.5mH)中通過(guò)的最大電流；P LK為漏感回饋到輸入端的能量；f為功率管開關(guān)頻率(取30kHz)。

由以上(1)~(6)式推導(dǎo)和化簡(jiǎn)，可得出下式：

由(7)~(11)式可計(jì)算出功率管、電感L 1所承受的電流電壓應(yīng)力(輸出功率550W時(shí))以及反峰吸收電路回饋到輸入端的能量：

I PK=47A；U SMAX=188V；I L1MAX=1.5A；P LK=13.25W

同時(shí)由(7)~(11)式還可以看出：

（1）若要減小開關(guān)管電流應(yīng)力I PK,則應(yīng)增加占空比D和變壓器初級(jí)電感量L ；

（2）若要減小開關(guān)管電壓應(yīng)力U SMAX,則應(yīng)減小變壓器初級(jí)漏感L K,同時(shí)增加C 2值(C 0的值由功率管參數(shù)決定)；

（3）若要減小電感L 1中最大電流I L1MAX,則應(yīng)增大電感L 1的電感量;(4)采用反峰吸收電路后，節(jié)省能量13.25W,可提高電源效率約2個(gè)百分點(diǎn)。

由以上計(jì)算可知，4只功率管額定電流至少應(yīng)大于50A,考慮到功率管參數(shù)的差異性，其導(dǎo)通電流不完全相等，并且一般要留一定的安全裕量，所以，實(shí)際應(yīng)用每只功率管額定電流值應(yīng)大于50A,通態(tài)電阻愈小愈好，而耐壓最好大于250V。

根據(jù)如下公式，可出計(jì)算出二極管VD0所承受的電壓應(yīng)力U D0、電流應(yīng)力I SK：

由U DO=U 0+U INMAXN 2/N 1

得：U DO=584V

由I PKN 1=I SKN 2

得：I SK=6A

其中：I SK為次級(jí)峰值電流值。

一般要留一定的安全裕量，所以，而選用二極管額定電壓應(yīng)大于800V,額定電流應(yīng)大于20A(考慮到過(guò)流、短路等因素)。兩路單端反激并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)

若要增加輸出功率，采用如圖5并聯(lián)結(jié)構(gòu)，該電路結(jié)構(gòu)可輸出功率約1.1kW,用一只SG3525控制即可。

圖5 兩路單端反激并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)結(jié)果

由兩路單端反激并聯(lián)組成的逆變電源前級(jí)DC/DC電路(見圖5)，輸出功率約1.1kW,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 前級(jí)DC/DC試驗(yàn)結(jié)果

由上述DC/DC電路組成的1kVA逆變電源，輸出AC220V50Hz正弦波，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，該電源體積320×200×60mm3。

表2 1kVA逆變電源試驗(yàn)結(jié)果